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Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 6410 (2023) Citar este artículo

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El pilote de levantamiento es una medida anti-levantamiento en ingeniería ampliamente utilizada en la práctica. Con el fin de estudiar los parámetros mecánicos del pilote y el suelo circundante bajo la carga de levantamiento, se realizó una prueba modelo de levantamiento del pilote y una prueba numérica relevante. Se aplicó la técnica de análisis de imágenes a la prueba del modelo para investigar los desplazamientos del suelo causados ​​por la tracción del pilote. Las relaciones carga-desplazamiento y fuerza axial del pilote-resistencia a la fricción lateral se investigaron a tres profundidades de enterramiento. Al comparar la prueba del modelo y los resultados de la prueba numérica, revela que el pilote pasó principalmente por cuatro etapas bajo la influencia de la carga de levantamiento: etapa inicial de carga, etapa de endurecimiento por deformación, etapa máxima de carga y etapa de ablandamiento por deformación; los desplazamientos del suelo alrededor del pilote exhibieron una forma cónica invertida a medida que aumenta la carga de levantamiento; y se pudieron observar efectos obvios de arqueamiento del suelo cerca de la superficie del suelo. Además, el desarrollo de las cadenas de fuerza y ​​las principales tensiones principales indicaron que la resistencia friccional lateral del pilote primero aumentó a su valor máximo y luego disminuyó bruscamente a lo largo de la dirección de la profundidad.

Como una medida eficaz contra el levantamiento en la ingeniería subterránea, el pilote de levantamiento se ha utilizado ampliamente en el diseño contra el levantamiento de estructuras subterráneas como sótanos, carreteras y túneles. En comparación con la capacidad de carga de los cimientos mejorada al tratar la capa de suelo, el sistema de soporte formado por la pila anti-levantamiento y la placa anti-levantamiento brindará un mejor efecto anti-levantamiento. Wen1 descubrió mediante la prueba que la capacidad portante anti-levantamiento del pilote bajo este sistema de soporte mejoró, de modo que el levantamiento vertical del pilote se redujo en un 64,2 % en comparación con el método de suelo reforzado. Alawneh et al.2 analizaron la capacidad resistente al levantamiento del pilote mediante una prueba de modelo interior para determinar sus principales factores influyentes, incluidos el material del pilote, el tipo, la rugosidad, la forma de la sección y las propiedades del suelo.

Por lo general, la aplicación del pilote depende de la naturaleza inherente del pilote, incluidas las propiedades del material, la resistencia y la rigidez. Un ejemplo es que los pilotes de relleno de tubería sumergida se utilizan principalmente en suelos arcillosos, limosos o limosos, suelos arenosos y capas de relleno artificial; y otro ejemplo son las pilas de tornillo que se utilizan principalmente en arcilla, polvo, suelo arenoso y tipo de grava de estratos. Mientras tanto, los factores externos, como la profundidad de enterramiento de la pila y el ambiente del suelo, determinan la naturaleza de la superficie de contacto entre la pila y el suelo y el patrón de daño de las partículas del suelo. Chen et al.3 encontraron tres superficies de ruptura de la morfología de daño del pilote resistente al arranque, y la forma de la superficie de ruptura determina la capacidad de carga última del pilote resistente al arranque y enumeró la ecuación de la superficie de ruptura del suelo alrededor la pila. Amjad et al.4 probaron la resistencia a la extracción de pilotes de igual sección bajo carga vertical y encontraron que cuanto mayor es la tasa de fractura del suelo alrededor del pilote bajo la misma carga, menor es la capacidad portante y mayor la tasa de fractura bajo carga última. la carga puede dar rienda suelta a la capacidad de carga del suelo en su lugar. Algunos investigadores descubrieron que cuando se levantaban pilotes de tubos de acero con diferentes profundidades de enterramiento, la fuerza axial del pilote aumentaba un 26 % por cada 20 cm de aumento en la longitud del enterramiento5.

Por otro lado, el pilote debe superar la resistencia friccional cuando se levanta, y la resistencia al arranque acompaña a la resistencia friccional. Algunos estudios han demostrado que cuanto más rugosa es la interfaz pilote-suelo, menor es la relación entre la capacidad portante residual y la capacidad portante última del pilote, y mayor es la eficiencia de conversión de la capacidad portante del pilote6,7. Al comparar la capacidad portante máxima de levantamiento vertical del monopilote del pilote de prueba y el pilote de ingeniería in situ, se encuentra que la capacidad de carga por levantamiento del pilote de ingeniería era mucho mayor que la del pilote de prueba, lo que también explica que la resistencia por fricción en la superficie de contacto no fue despreciable8,9. Qin et al.10 realizaron una prueba estática de la resistencia a la extracción vertical del monopilote en arena calcárea y arena de cuarzo en interiores. Descubrieron que la elevación de la arena calcárea alrededor de la parte superior del pilote era pequeña debido al "efecto de cuello de botella" causado por la interconexión de las partículas superficiales, que fortalecieron la resistencia friccional lateral final de la sección superior del pilote. Hussein et al.11 realizaron pruebas de extracción en pilotes modelo enterrados en arena seca suelta y arena densa con diferentes relaciones L/D (L/D = 20, 25, 30) y encontraron que bajo el efecto combinado de cargas sísmicas y de extracción, la la capacidad máxima de extracción de pilotes en arena seca suelta se redujo entre un 55,02% y un 73,22%, mientras que en arena densa, la capacidad máxima de extracción de los tres modelos se redujo menos, es decir, el área de superficie de fricción en arena densa fue menor que en arena suelta , y el aumento de la densidad relativa aumentaría la tensión efectiva. Además, la resistencia friccional también afecta la tasa de aumento de la tensión del pilote. Sakr et al.12 realizaron una prueba de extracción en pilotes modelo (con y sin alas de anclaje) instalados en arena seca con diferente densidad y encontraron que la resistencia a la extracción de los pilotes con anillos de anclaje aumentó con el aumento de la densidad relativa de la arena. Cuando la densidad relativa de la arena era del 80 %, la resistencia a la extracción del pilote con alas de anclaje alcanzaba hasta 2,77 veces más que el pilote normal. Otros investigadores también encontraron que la tensión de fricción lateral aumenta gradualmente con la profundidad y la tasa de aumento de la tensión disminuye gradualmente13. Además de la derivación teórica, las pruebas de modelos y las pruebas de campo, el cálculo numérico, por ejemplo, FEM y DEM, se usa ampliamente para estudiar la capacidad portante de pilotes resistentes al levantamiento14,15,16.

En general, la aplicación de pilotes de contraextracción en varias capas de suelo y entornos de ingeniería ha sido objeto de una amplia investigación tanto en el país como en el extranjero. Sin embargo, el análisis de todo el proceso de resistencia al rozamiento lateral en la microvista y la microvista comparativa sigue sin explorarse. Al combinar la tecnología de imágenes DIC, se diseñan tres conjuntos de pruebas de extracción con diferentes profundidades de enterramiento (profundidades de entierro de 300 mm, 250 mm y 200 mm) para analizar la relación carga-desplazamiento de la parte superior del pilote y el desplazamiento relativo del suelo alrededor del pilote. . DEM se utiliza para simular el proceso de fuerza de un pilote resistente a la extracción y registrar el cambio de fuerza de las partículas del suelo alrededor del pilote. Finalmente, los resultados de la prueba se compararon con los de la simulación.

La investigación incluyó tres pruebas de extracción realizadas a profundidades de enterramiento de pilotes de 300 mm, 250 mm y 200 mm. Una máquina universal controlaba la carga superior del pilote para garantizar la igualdad de carga; las galgas extensiométricas evaluaron la fuerza axial del pilote y el método de correlación de imágenes digitales (DIC) calculó el desplazamiento de campo completo del suelo. Se calcularon la carga de levantamiento, el desplazamiento, la distribución de la fuerza axial del pilote y el desplazamiento del suelo.

El pilote modelo es un pilote semicircular de pared delgada de aluminio con un módulo de elasticidad de 7 × 1010 Pa, una longitud de pilote de 300 mm, un diámetro de 40 mm y un espesor de pared de 2 mm. Según Azzam et al.17, al pilote modelo se le aplicó papel abrasivo externamente para simular la fricción entre el pilote de hormigón armado y el suelo. La arena de prueba es arena estándar de Fujian. Como se muestra en la Fig. 1, el tamaño de partícula promedio d50 = 0,36 mm, medido por prueba de tamiz, y es arena mal clasificada según ASTM D6913-0418, coeficiente de falta de homogeneidad Cu = 1,59, coeficiente de curvatura Cc = 0,89, densidad seca mínima de 1,44 g/cm3, densidad seca máxima de 1,75 g/cm3, densidad de arena de 1,59 g/cm3, gravedad relativa Dr = 0,53, ángulo de fricción interna φ = 30,96° y la capa de arena se encuentra en un estado de densidad media.

Curva de distribución del tamaño de grano del suelo ensayado.

El pilote único estudiado en este documento corresponde al pilote utilizado en la sección del túnel del Proyecto de cruce del río Heyi en la ciudad de Quzhou, provincia de Zhejiang, China. La longitud del pilote utilizada en el proyecto es de 10 my el diámetro del pilote es de 1 m. Para simular el pilote in situ en la caja modelo y eliminar el efecto escala19,20,21,22, se aplicó un factor de reducción de n = 30 para la prueba de escala reducida. El dispositivo de prueba se compone de tres partes: la caja del modelo, el sistema de carga y el dispositivo de adquisición de imágenes. La caja del modelo mide 600 mm × 290 mm × 400 mm y tiene cuatro lados transparentes para facilitar la observación del proceso de prueba. Estas dimensiones de la caja del modelo se eligieron para evitar el efecto de contorno. El dispositivo de carga puede realizar cargas de igual velocidad y tiene una carrera de tracción y compresión de 700 mm y un rango de velocidad de 0,01 mm/min a 500 mm/min. La cámara de adquisición de imágenes es la SONYA6500, que tiene un sensor de medio cuadro con 24,2 millones de píxeles. En las Figs. 2 y 3, respectivamente.

Esquema de la configuración de la prueba.

Esquemas de la pila modelo.

Para asegurar la repetibilidad de las pruebas, los especímenes se prepararon en seis capas a una altura de 50 cm utilizando el método de lluvia que cae. La producción de cada capa de arena pasó por los siguientes pasos. Primero, pesamos cierta masa de arena. Luego, la arena se martillaba a una escala predeterminada y se nivelaba. Cada capa de arena se martillaba de 20 a 30 veces y el número de martillazos aumentaba de abajo hacia arriba. Según Basha y Azzam23, el pilote modelo se instaló principalmente mediante dos métodos: método de conducción y método sin perturbaciones. Sin embargo, el pilote utilizado en este estudio es un pilote semicircular, cuya perpendicularidad es difícil de controlar durante el hincado del pilote. Por lo tanto, se aplicó el método de no perturbación para instalar el pilote modelo. La capa inicial de arena tenía un espesor de 10 cm y se colocó en una pila semicircular después de ser colocada y compactada. Las capas posteriores tenían un espesor de 5 cm, lo que daba como resultado una altura total de 35 cm. Finalmente, la arena se dejó reposar durante 4 h. La cámara digital se colocó fuera de la caja del modelo y, después de enfocar, se calibró la imagen para su posterior procesamiento. Finalmente, la máquina universal se cargó a una velocidad constante de 0,5 mm/min.

DIC es un método óptico para medir la tensión mecánica que permite la medición sin contacto del objeto objetivo. En otras palabras, se adquieren dos imágenes de la superficie objetivo (un píxel es la unidad básica de una imagen digital) en diferentes momentos, y el mapa binario se obtiene digitalizando las imágenes y calculando la correlación de los mapas binarios en los puntos conectados. puntos de tiempo para obtener la información del campo de deformación de la superficie objetivo.

Usando una profundidad de entierro de pilotes de 300 mm como ejemplo, la Fig. 4 muestra la curva de carga (Q)-desplazamiento (s). El primer paso es la etapa inicial de la carga, en la que el pilote se somete a una pequeña fuerza de tracción, no se produce ningún desplazamiento relativo con la tierra que rodea el pilote y el suelo del pilote puede volver a su posición inicial después de que la carga se haya descargado. remoto. La segunda fase es la etapa de endurecimiento por deformación. A medida que aumenta la fuerza de tracción, el suelo que rodea el pilote es susceptible de aumentar la fricción del lado del pilote y el deterioro estructural, que posteriormente se transfiere al suelo circundante. Una parte del suelo está dañada por el plástico en este punto. El pico de la etapa de carga es la tercera fase. El suelo arenoso que rodea la pila ha sido completamente dañado. Actualmente, el pilote ha alcanzado su máxima capacidad portante, y el rango de su influencia sobre el suelo también ha alcanzado su máxima extensión. A medida que el pilote continúa subiendo y la profundidad del entierro disminuye, la capacidad portante del pilote se reduce significativamente con el aumento del desplazamiento durante la etapa de ablandamiento por deformación.

La curva Qs de pilote enterrado con profundidad de 300 mm.

Cuando el pilote es desplazado por la carga de levantamiento, la tierra circundante se altera. Usando la técnica de medición de imágenes sin contacto DIC, se adquieren las nubes de desplazamiento de los cuatro pasos; consulte la Fig. 5. (El desplazamiento del suelo hacia arriba es negativo, hacia abajo es positivo). Al comienzo del levantamiento del pilote, el pilote primero induce el desplazamiento del suelo en la interfaz pilote-suelo, lo que demuestra principalmente la construcción y expansión de la resistencia friccional lateral del pilote; en este punto, el rango de efecto de la deformación por desplazamiento arena-suelo es limitado (Fig. 5a). A medida que aumenta el levantamiento del pilote, el desplazamiento horizontal del suelo que rodea al pilote comienza a extenderse hacia afuera, con el pilote en su centro. El rango de perturbación crece con la distancia de levantamiento de la pila, mientras que el rango de expansión está restringido por la restricción mutua entre las partículas. El radio de expansión es de alrededor de 1,5 D (D es el diámetro del pilote modelo, Fig. 5b). La nube de desplazamiento del daño final tiene forma de V alrededor del pilote, con la mayor concentración de desplazamiento del suelo en la parte superior del pilote. El rango de influencia en el suelo que rodea la pila crece a medida que la pila se eleva repetidamente, pero tiende a estabilizarse cuando el suelo pasa de la etapa máxima de carga a la etapa de ablandamiento por deformación.

Mapa de contorno de desplazamiento del suelo.

Como se muestra en la Fig. 6, los desplazamientos horizontales y verticales del suelo se sintetizan en un diagrama vectorial. La dirección de la flecha en el diagrama representa la dirección del desplazamiento de las partículas del suelo, mientras que la longitud de la flecha representa el tamaño del desplazamiento. En la fase inicial de levantamiento, la fuerza de levantamiento del pilote siempre es menor que la resistencia de fricción lateral, por lo que el vector de desplazamiento del suelo se distribuye uniformemente y casi no cambia. Con el aumento de la fuerza de tracción (hasta la resistencia máxima de fricción lateral), se impulsa el movimiento del suelo alrededor del pilote y se descubre que el desplazamiento del suelo en la región del pilote, por encima de 150 mm, cambia principalmente en la dirección vertical. dirección. A una profundidad de pilote de 300 mm, la condición final de perturbación del suelo en la dirección horizontal de aproximadamente 100 mm alrededor del pilote es extrema, y ​​la superficie está acompañada por un desplazamiento por levantamiento. El levantamiento de la superficie es bastante pequeño cuando la profundidad del entierro del pilote es relativamente poco profunda.

Diagrama vectorial de desplazamiento del suelo.

Las galgas extensiométricas se colocan simétricamente en el pilote para determinar su fuerza axial. Se registran los valores de deformación en varios puntos bajo cada nivel de carga y se calcula la fuerza axial de la sección transversal correspondiente.

Los gráficos de la fuerza del eje del pilote y la resistencia de fricción lateral promedio se muestran en la Fig. 7. En la etapa inicial de la aplicación de la fuerza (Fig. 7a), la fuerza del eje del pilote se distribuye aproximadamente proporcionalmente con la profundidad, y la curva sube de manera similar. . A medida que la tensión se acerca a su carga máxima, la relación entre la fuerza axial y el desplazamiento cambia rápidamente en la última etapa. Bajo la misma carga, se descubre que la fuerza del eje del pilote se reduce al aumentar la profundidad; a la misma profundidad, la fuerza del eje aumenta al aumentar la carga. La resistencia de fricción lateral promedio de cada parte del pilote aumentó con la carga de levantamiento (Fig. 7b), y aumentó con la profundidad bajo el mismo peso; la resistencia de fricción lateral promedio alcanzó su valor más alto en 408 N.

Fuerza axial y resistencia de fricción lateral promedio a lo largo del pilote modelo.

La curva Qs a varias profundidades de enterramiento se generó al combinar la carga aplicada por la máquina universal y los datos de desplazamiento registrados, como se muestra en la Fig. 8. Durante la fase inicial de levantamiento, la carga de la parte superior del pilote aumenta abruptamente, luego disminuye gradualmente después de alcanzar su pico, y finalmente alcanza un nivel más moderado y constante. De acuerdo con la norma ASTM D3689-0724, la carga correspondiente al punto inicial de la curva Qs con una caída pronunciada evidente se toma como carga última, por lo que la capacidad portante última medida cuando el pilote está enterrado 300 mm, 250 mm y 200 mm es 408 N, 285 N y 182 N, respectivamente, lo que indica que la capacidad de carga de levantamiento de la cimentación de pilotes disminuirá a medida que disminuya la profundidad del enterramiento. Para garantizar la seguridad del proyecto y maximizar la resistencia a la extracción, la profundidad de enterramiento del pilote debe establecerse racionalmente en la práctica de ingeniería en función de la condición de fuerza.

Curvas de pilotes Qs con diferentes profundidades de enterramiento.

La figura 9 ilustra las nubes de desplazamiento y los diagramas vectoriales para diferentes profundidades de enterramiento. En la Fig. 9a, la superficie del pilote está enlucida con papel de lija para aumentar la resistencia por fricción de la interfaz pilote-suelo. La resistencia friccional no es la misma a diferentes profundidades de enterramiento, y el desplazamiento horizontal del suelo perimetral de la pila de control de ingeniería con grandes profundidades de entierro tiene un amplio rango de impacto, pero al final, todos exhiben una forma de daño de cono invertido. De acuerdo con la Fig. 9b, el efecto del arco del suelo en la parte superior de la pila crece a medida que aumenta la profundidad del entierro, y este efecto se puede observar a medida que se eleva la capa superficial del suelo.

Desplazamiento del suelo con diferentes profundidades de enterramiento (200 mm, 250 mm, 300 mm).

La figura 10 muestra la capacidad de carga máxima con diferentes relaciones de longitud y diámetro (L/D, 50, 62,5 y 75 respectivamente). La capacidad máxima aumentó con el aumento de la relación longitud-diámetro. Para el pilote general de igual sección, la superficie dañada del suelo circundante tiene principalmente los siguientes patrones de daño: daño cilíndrico, daño de cono invertido y daño compuesto (es decir, daño cilíndrico en la parte inferior y daño de cono invertido en la parte superior). Como se muestra en la Fig. 9a, el patrón de daño que apareció en este estudio se puede identificar como el segundo patrón de daño mencionado anteriormente, que fue causado por el aumento de la fricción debido a que el pilote era friccional. Y el patrón de fracaso de esta prueba fue consistente con el estudio previo22.

Relación entre capacidad portante última y relación longitud-diámetro.

La prueba del modelo numérico del pilote de prueba con una profundidad de enterramiento de 300 mm se realizó utilizando DEM para investigar las leyes internas a microescala del proceso de levantamiento del pilote resistente al levantamiento y para validarlo con una prueba de modelo interior. La densidad de partículas del suelo es de 2650 kg/m3, y los parámetros de microvista se muestran en la Tabla 1. La Figura 11 muestra el diagrama del modelo numérico de la pila enterrada de 300 mm, que es consistente con la condición de prueba. Se establecieron cuatro puntos de monitoreo para la fuerza axial a 60 mm, 120 mm, 180 mm y 240 mm desde la base del pilote (ubicaciones 1, 2, 3 y 4).

Configuración del modelo numérico.

Durante el levantamiento del pilote modelo, la capacidad portante y la resistencia por fricción lateral siempre están en tándem, siendo la resistencia por fricción algo menor que la capacidad portante. Al comparar los diagramas Qs de ensayo y simulación (Fig. 12a), se descubre que el pilote modelo alcanza su estado último de capacidad portante a un desplazamiento de aproximadamente 3 mm, y que, aunque hay una pequeña disminución con el crecimiento de desplazamiento, la diferencia final con la capacidad de carga máxima no es grande, y el error relativo entre ellos está dentro del 10%, lo que confirma la precisión de la simulación. Además, la fuerza axial del pilote aumenta a medida que aumenta el desplazamiento hacia arriba (Fig. 12b). 4 fuerza axial es obviamente superior a 3 fuerza axial, 2 fuerza axial y 1 fuerza axial. Las fluctuaciones de la fuerza axial en cuatro lugares separados siguen un patrón similar; sólo varían sus magnitudes. Cuando el desplazamiento alcanza el valor límite, el crecimiento de la resistencia se vuelve lento.

Resultados de carga de pilotes del modelo DEM.

La Figura 13 muestra los resultados del desplazamiento del suelo del modelo de pilotes de 300 mm de profundidad. La nube exhibe una distribución en forma de V desde la base de la pila hasta la parte superior, y el desplazamiento de las partículas del suelo cerca de la pila tiene el mayor impacto, mientras que el resto del suelo está menos estresado. La parte superior de la pila está acompañada por una elevación del terreno similar en el diagrama vectorial. Esto es consistente con la nube de desplazamiento del suelo y el diagrama vectorial (Figs. 5 y 6) observados por DIC durante la prueba, lo que indica que la prueba se realizó correctamente.

Resultados del desplazamiento del suelo del modelo DEM.

La estructura similar a una cadena generada por la transferencia de fuerza entre partículas en medios discretos se conoce como cadena de fuerza, y la distribución de cadenas de fuerza refleja el comportamiento de transferencia de carga de medios discontinuos. La Figura 14 muestra una comparación de las leyes de distribución de las cadenas de fuerza de contacto durante cuatro fases distintas del procedimiento de extracción de pilotes. Cuanto más gruesa es la cadena de fuerza, mayor es la fuerza de contacto. Antes de la carga, la cadena de distribución de fuerza se volvió densa de arriba a abajo debido a la gravedad. Cuando comenzó la carga, las cavidades de la cadena de fuerza elíptica comenzaron a emerger en la parte inferior de la pila, y la distribución de la concentración de la cadena de fuerza alrededor de la superficie inferior de la pila tenía forma de arco. A lo largo del pico de la etapa de carga, la zona de concentración de la cadena de fuerza se expande más hacia el exterior. Cuando se trata de la etapa de ablandamiento por deformación, el lado de la pila creció hacia afuera desde la parte inferior hasta la parte superior de la pila, formando un área de concentración de cadena de fuerza de arco convexo. La comparación de la distribución de las cadenas de fuerza en las cuatro etapas revela que la densidad y la dispersión de las cadenas de fuerza aumentan y se expanden gradualmente con el aumento de la resistencia de fricción lateral; las cadenas de fuerza en ambos lados de la parte inferior del pilote se acumulan rápidamente, lo que hace que la resistencia de fricción lateral aumente primero y luego se expanda gradualmente para formar una red de cadenas de fuerza estable.

Distribución de la cadena de fuerza en diferentes etapas de carga.

La extracción del pilote está inevitablemente acompañada por la redistribución de tensiones en el suelo de cimentación, y se dispone una matriz de esferas de medida de 36 × 21 en el modelo para obtener la distribución de tensiones en el suelo para un análisis posterior del mecanismo de transferencia de carga pilote-suelo. El vector de dirección de la tensión principal se utiliza para caracterizar las propiedades de variación de la tensión principal en el suelo. Los valores de la tensión principal y sus ángulos de dirección se calculan mediante la ecuación. (1):

donde σxx, σyy, τxy son las tensiones positivas y tangenciales en las direcciones x e y del suelo registradas en el círculo de medición; σ1,3 es la tensión principal de tamaño; θ es el ángulo de dirección de la tensión principal grande en relación con la dirección inicial (dirección vertical).

La fase de ablandamiento por deformación es la fase más severa de la degradación interna del suelo. Durante esta etapa, la Fig. 15 muestra el enorme campo principal de tensiones y su vector de dirección en el suelo de cimentación. Desde la parte superior del pilote hasta el fondo del pilote, el valor de la tensión principal en el suelo alrededor del pilote primero aumenta bruscamente hasta su valor máximo y luego disminuye bruscamente, con el valor más alto de la tensión principal indicando que esta porción de la pila soporta actualmente la mayor parte de la presión del suelo dentro del suelo. Bajo la carga última, la resistencia friccional lateral del pilote crece a lo largo de la profundidad y luego disminuye rápidamente, de acuerdo con los resultados de la investigación de resistencia friccional lateral del pilote de prueba del modelo. La zona de dirección del gran vector de tensión principal del suelo de cimentación es comparable al rango de distribución de la cadena de fuerza. El vector de tensión principal grande se desvía hacia el lado y la parte inferior del pilote, y los rangos respectivos de la zona de dirección son el arco y el lóbulo convexos. La dirección del suelo cerca del fondo de ambos lados del límite es extremadamente pequeña y esencialmente no se ve afectada por la extracción del pilote, mientras que el valor de la tensión aumenta bajo la acción combinada de la gravedad y la transferencia de carga desde el lado del pilote en comparación con otras áreas con mínima dirección. Cuando las partículas del suelo han desarrollado una estructura algo estable, la dirección del gran vector de tensión principal en el suelo de cimentación y el crecimiento de la cadena de fuerza crean una redistribución de la fuerza interna.

Gran tensión principal y diagrama vectorial de dirección.

Cuando se redistribuye la tensión, las partículas del suelo ajustarán espontáneamente el estado de contacto entre partículas para adaptarse al campo de tensión cambiante. Rothenburg y Bathurst25 utilizaron la función de distribución de contacto entre partículas para analizar la configuración de contacto de las partículas, lo que puede cuantificar la variación. de distribución de contacto entre partículas dentro de la base, ver Eq. (2)

donde E(θ) es la función de densidad de la distribución normal de contacto; θn es la dirección principal de la anisotropía normal de contacto (ángulo con la línea horizontal); an es el coeficiente de ajuste de Fourier, que caracteriza la complejidad de la anisotropía.

De acuerdo con los valores de las grandes tensiones primarias del suelo de cimentación y las direcciones de los vectores, las áreas fueron numeradas y subdivididas26. La dirección principal de la dirección normal de contacto del sistema de partículas se contó como un intervalo estadístico de 10° y se ajustó con una función de Fourier para generar el diagrama de análisis de la configuración normal de contacto en el pico de la etapa de carga, como se muestra en la Fig. 16 La proporción de rebanada rosa refleja la relación de contactos en esa dirección con respecto al número promedio de contactos a lo largo de toda la dirección, y la dirección principal de la configuración normal de los contactos de partículas en cada región tiene una gran similitud con la dirección de la tensión (Fig. dieciséis). Los coeficientes de anisotropía del suelo en cada región (1 a 4) son 0,202, 0,262, 0,128 y 0,154, respectivamente, y el grado de anisotropía de las partículas en la región de concentración de carga lateral del pilote es el mayor. Cuanto mayor sea el grado de anisotropía, más concentrada será la fuerza de contacto necesaria para soportar una carga externa. Cuanto más estrecha sea la condición de contacto entre partículas, mayor será el efecto de compresión sobre las partículas y mayor será su capacidad para transferir carga. Bajo la doble extrusión de la presión lateral de la tierra y la resistencia friccional lateral del pilote, el estado de contacto entre partículas es más estrecho; mientras que el coeficiente de anisotropía en la zona de distribución de la carga del fondo del pilote es el más bajo, la mayor parte de la presión de la tierra en la cimentación es compartida por el pilote, y solo se produce una pequeña cantidad de perturbación gravitatoria y carga externa, el estado de contacto entre partículas es más flojo. En la unión de las dos zonas, la resistencia friccional lateral del pilote disminuye drásticamente. Comparando la zona de transferencia y la zona de concentración, se encuentra que la dirección principal de la normal de contacto está más cerca de la dirección vertical en la zona de concentración, junto con un mayor grado de anisotropía. Esto indica que las partículas en la zona de concentración tienen una mayor capacidad para soportar la carga de tracción de separación vertical.

Distribución de la dirección normal de contacto.

En este estudio, se utilizan pruebas de laboratorio y análisis numérico para investigar pilotes semicirculares de paredes delgadas sometidos a cargas de levantamiento vertical en suelos arenosos, y se pueden obtener las siguientes conclusiones:

Bajo la carga de levantamiento, el pilote pasa principalmente por cuatro etapas: etapa inicial de carga, etapa de endurecimiento por deformación, etapa máxima de carga y etapa de ablandamiento por deformación. Con el aumento de la tensión, el suelo que rodea el pilote muestra un daño cónico invertido y se hace evidente un fenómeno de arco en la superficie del suelo. Durante el proceso de levantamiento, la fuerza axial del pilote bajo la misma carga disminuye en la dirección de la profundidad y aumenta a medida que aumenta la carga de levantamiento a la misma profundidad. Simultáneamente, la resistencia friccional lateral del pilote se desarrolla en la dirección de la profundidad (60 mm desde el fondo del pilote) y con la carga de levantamiento. La capacidad máxima aumentó con el aumento de la relación longitud-diámetro (L/D).

Durante la prueba de levantamiento de pilotes, la imagen DIC cuantifica el proceso de ruptura del suelo circundante. El desplazamiento por perturbación del suelo generado por el desplazamiento por levantamiento a profundidades de pilote de 300 mm, 250 mm y 200 mm exhibe un patrón en forma de V alrededor del pilote, y el rango de efecto del suelo que rodea el pilote crece a medida que aumenta la profundidad del pilote. Las partículas de suelo que rodean la pila aparecen fenómenos de arco en la superficie. Actualmente, la distribución de los vectores de desplazamiento del suelo es la más densa debido a la mayor fuerza de perturbación.

La resistencia friccional lateral del pilote modelado por DEM siempre es ligeramente menor que la capacidad portante última. La fuerza axial en cuatro lugares seleccionados a lo largo del pilote sigue el mismo patrón que la curva de capacidad portante final, excepto por la magnitud. La curva de capacidad portante simulada es idéntica a la curva de carga-desplazamiento del pilote de la prueba; la nube de desplazamiento del suelo simulado y el diagrama vectorial alrededor del pilote son idénticos a la tendencia general del daño medida por DIC en la prueba, y el suelo sobresale de la superficie superior del pilote. Por lo tanto, la simulación DEM y la prueba pueden validarse mutuamente, demostrando la validez y viabilidad del estudio.

Desde la perspectiva micro, el diagrama de cadena de fuerza de la simulación DEM ayuda a representar el proceso de transferencia de fuerza de la resistencia de fricción lateral del pilote a las partículas del suelo circundante. El análisis del campo de tensiones principales grandes y su vector de dirección en el suelo de cimentación durante el pico de la etapa de carga revela que las tensiones principales grandes alcanzan su máximo a cierta distancia del extremo del pilote, lo que indica que la resistencia friccional lateral del pilote primero aumenta y luego decrece bruscamente a lo largo de la profundidad. El diagrama de vector de dirección se divide y cuantifica. En comparación con el área de transferencia, el área concentrada tiene un mayor grado de anisotropía y la dirección principal de la normal de contacto también está más cerca de la dirección vertical, lo que significa que la partícula tiene una mayor capacidad para resistir la carga de extracción vertical.

Los datos utilizados en este trabajo pueden estar disponibles previa solicitud razonable al autor correspondiente.

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Este estudio fue apoyado por el Proyecto del Plan de Ciencia y Tecnología del Departamento de Transporte de la Provincia de Zhejiang (No.2021045).

Quzhou Traffic Design Co., Ltd, Quzhou, Zhejiang, República Popular China

Colmillo Jianping

Departamento de Ingeniería Civil, Escuela de Mecánica y Ciencias de la Ingeniería, Universidad de Shanghái, 99 Shangda Road, Shanghái, 200444, República Popular China

Songchao Lin y Kai Liu

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JF analizó los datos y editó el manuscrito, SL realizó los análisis numéricos, KL realizó el experimento. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Songchao Lin.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Fang, J., Lin, S. y Liu, K. Estudio multiescala del mecanismo de carga de pilotes de levantamiento basado en pruebas de modelos y simulaciones numéricas. Informe científico 13, 6410 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33221-z

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Recibido: 30 noviembre 2022

Aceptado: 10 de abril de 2023

Publicado: 19 abril 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33221-z

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